多孔层板设计和试验技术研究.pdfVIP

————————————兰道亟主昼垫塞羞生盎金垂!迨塞釜 多孔层板设计与试验技术研究 王振涛扬燕生顾铭企 (沈阳航空发动机设计研究所，110015) 摘要：奉文对“多孔层板冷却结构材料的设计与试验研究”作了总结。文中概述了多孔层板 冷却技术的研究背景和本项研究的技术指标．着重介绍层板的结构设计和备方案的具体结 构t以及各方案层板的渗透性和冷却效果特性的试验结果及分析等． 1 概述 1．1 提高冷却效率是航空发动机发展的需要 提高航空涡轮发动机的推重比是研制和发展高性能发动机始终不渝的追求目标。目前， 国外先进国家的发动机盼推重比已提高到lO—12，预计2。00年后，在台理的发动机诸热力参 数匹配下，可望达到推重比20左右。因此．发动机涡轮前温度可达2000K以上。但涡轮进口 温度的增加受到涡轮叶片允许使用温度的限制，同时保持燃烧室使用寿命也成了严重的问题。 为了解决这个问题，就必颁一方面提高材料的耐热性，咀及改善表面保护．而更为重要的是采 取既省气又有效的冷却措藤。 众所周知，涡轮叶片受热条件决定于燃烧室出口平均温度和该温度分布的不均匀性。为 保证涡轮叶片的寿命，一方面要加强冷却措施，另一方面要尽量减少和严格限制燃烧室出口温 度场的不均匀性。然而，对燃烧室而言，随涡轮进口温度的提高，燃烧室温升增加，用于燃烧 的空气愈来愈多。燃气温度提高后，若冷却不改善，冷气需要量就加多，这样所剩的掺混空气 量就要下降，掺混空气量是控制燃气出口温度场的主要因素，它的减少就会增加燃气和温度场 的不均匀性，进而恶化了涡轮叶片的工作条件，使叶片寿命降低。最为有效的解决燃烧室工作 的办法就是提高冷却效率(冷却效率的实质就是单位冷气量散走的热量)．使冷气量减少，从 而保证掺混空气的用量。 1 2 关于层板 为了满足叶片和燃烧室提高冷却效率，充分利用冷气散热潜力的要求，设计者应该根据 发动机限定的结构要求，考虑材料和工艺达到的水平．选择最有效的冷却方法。当前最可行 的是气膜冷却、对流冷却、撞击冷却蚍及采取适当的扰流结构和复合冷却，另外更为重要的是 增加冷气流程-即增加散热面积提高拎却散热能力，只有这样才能大幅度地提高冷却效率。出 于上述考虑，根据发散冷却研究经验并结合实际应用条件，发展一种多孔层板冷却技术已越来 越引起人们的重视。这种冷却技术的特点是把先进的冷却方法与材料和工艺紧密结合起来形成 一种新的冷却技术(即多孔层板冷却技术)。 层板冷却材料的基本结构如图l所示。它是由两片(或多片)金属扩散焊或钎焊在一起。 金属板内表面用电化学腐蚀的方法加工成按冷却具体要求而布置的、有一定凸凹不平图案和通 孔。板之间形成有一定形状和尺寸要求的隔墙．扰动气流的柱或肋．组成空气流通的迂回气流 通道网格。在层板两侧用激光或腐蚀打成小孔，冷气由此进入层板内的迂回通道．首先是撞击 冷却．然后顺着流道在短距离内通过水平交错的小孔和扰流结构对壁进行强迫对流冷却，最后 由另一侧热板上的气膜小孔逸出，在壁与燃气之间形成气膜．覆盖于层板上以阻隔燃气向壁的 传热。由此可见，层板拎却采用了散热强度较高的冷却方法，冷气在迂回交错的通道中流动． 增加了冷却面积，有效地利用了冷气散热潜力。也就是说，层板结构的内部传热面积与结构本 身的容积之比(面积密度)远远超过其它常规的冷却结构形式…．它可以根据具体设计要求和 工艺水平，靠减少结构的内部孔径间距、层板厚度和栅格的深度间距和直径来大幅度地增加冷 却表面的面积密度，使冷却效率大大提高。研究表明，在同样工作条件下，与常规气膜冷却比 较，层板结构可以减少三分之二的冷气。另外由于层板组成盒式结构，不但可以有效地阻隔燃 烧亮区的辐射，而且还具有良好的刚性和组合材料的机械性能．这对燃烧室和涡轮导向叶片的 I=作要求都是有利的。因此．它是高性能先进航空发动机热端部件的一种很有前途的冷却技术。 1．3 国外层板的发展情况简介 A11i Diesel 英国R．R(R011sRoyce)公司和美国D．D．A(Detroitson)公司从六十年 发动机上作过类似层板结构的可行性试验，试验表明其具有良好的冷却效率和实用前景，并为 此建立了研究中心．为在新发动机上的